강자성
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1. 개요
강자성은 외부 자기장이 없을 때 자발적인 자화를 나타내는 물질의 특성이다. 이는 스핀과 파울리 배타 원리에 의해 발생하며, 전이 금속, 희토류 원소, 특정 악티늄족 화합물 등에서 나타난다. 강자성체는 퀴리 온도 이상에서 상자성으로 변하며, 자기 구역으로 나뉘어 자기적 특성을 나타낸다. 강자성은 전동기, 발전기, 자기 기록 매체 등 다양한 분야에 응용되며, 최근에는 나노 기술 발전에 따라 스핀트로닉스, 자기 센서, 바이오 메디컬 분야에서도 활용된다.
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- 강자성 - 자구
자구는 강자성체나 페리자성체 내에서 자기 모멘트가 정렬된 미세한 영역이며, 물질의 내부 에너지를 최소화하기 위해 형성되고, 다양한 현미경 기술을 통해 관찰된다. - 강자성 - 강자성 초전도체
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강자성 | |
---|---|
강자성 | |
![]() | |
분류 | 자성 |
관련 효과 | 자기장 자기화 |
관련 현상 | 상자성 반강자성 페리자성 초상자성 |
설명 | |
정의 | 특정 재료가 영구 자석으로 자화될 수 있는 현상 |
특징 | 강자성체는 외부 자기장이 없어도 자화될 수 있음 자기 모멘트가 정렬되어 큰 자기화 생성 퀴리 온도 이상에서는 상자성으로 전환 |
원리 | |
스핀 정렬 | 원자 내 전자의 스핀이 서로 정렬되어 자성을 형성 |
교환 상호작용 | 양자역학적 교환 상호작용에 의해 인접한 스핀들이 평행하게 정렬 |
자기 구역 | 강자성체 내에서 자기 모멘트가 같은 방향으로 정렬된 영역인 자기 구역이 존재 |
강자성체 | |
예시 | 철 코발트 니켈 가돌리늄 일부 합금과 화합물 |
응용 | 영구 자석 변압기 데이터 저장 장치 센서 |
역사 | |
발견 | 고대부터 알려져 왔으나, 과학적 연구는 19세기부터 시작 |
발전 | 퀴리 법칙 발견 양자역학의 발전으로 강자성 현상 규명 |
참고 문헌 | |
참고 자료 | 영어 위키백과 - Ferromagnetism 일본어 위키백과 - 強磁性 한국어 위키백과 - 강자성 |
2. 강자성의 역사
역사적으로 '강자성'이라는 용어는 외부 자기장이 없을 때 자발적인 자화가 나타나는 모든 물질을 통칭하는 데 사용되었다. 이러한 정의는 현재에도 일반적으로 사용된다.[3] 그러나 최근에는 물질의 기본 셀에 하나 이상의 자성 이온이 있을 때 다른 종류의 자발적인 자화가 발생한다는 것이 밝혀졌다.
강자성은 철, 니켈, 코발트와 그 합금, 그리고 희토류 원소의 합금 등 몇몇 물질에서 나타나는 특이한 성질이다. 이는 단순히 물질의 화학적 구성뿐만 아니라 결정 구조와 미세 구조의 특성이기도 하다. 프리츠 하우슬러의 이름을 딴 하우슬러 합금과 같이 구성 성분 자체는 강자성이 아니지만 강자성을 띄는 금속 합금이 있다. 반대로, 스테인리스강처럼 강자성 금속으로 구성되었지만 비자성인 합금도 존재한다.
1948년 루이 넬은 이러한 현상이 두 가지 수준의 자기 정렬로 인해 발생한다는 것을 보여주었다. 하나는 모든 자기 모멘트가 정렬되는 엄밀한 의미의 강자성이다. 다른 하나는 페리자성으로, 일부 자기 모멘트는 반대 방향으로 향하지만 그 기여도가 작아 자발 자화가 나타난다.[4][5]
반대 방향의 모멘트가 완전히 균형을 이루는 특수한 경우를 반강자성이라고 한다. 반강자성체는 자발 자화를 갖지 않는다.
알렉산드르 스톨레토프가 강자성체의 자기 투자율을 측정하여 만든 스톨레토프 곡선(Stoletov curve)은 강자성 분야의 선구적인 연구이다.
2009년 MIT 연구진은 1켈빈보다 낮은 극저온에서 리튬 기체가 강자성을 보인다는 것을 실험적으로 증명했다. 연구진은 리튬-6의 페르미 입자를 적외선 레이저 냉각법을 이용하여 1500억 분의 1켈빈보다 낮은 온도로 냉각시켰다. 이는 기체도 강자성을 나타낼 수 있음을 입증한 첫 연구이다.
3. 강자성 물질
비정질(비결정질) 강자성 금속 합금은 합금을 매우 빠르게 담금질(냉각)하여 만들 수 있다. 이러한 합금은 낮은 보자력, 낮은 히스테리시스 손실, 높은 투자율 및 높은 전기 저항을 가진다. 이러한 전형적인 물질 중 하나는 약 80%의 전이 금속(일반적으로 Fe, Co 또는 Ni)과 녹는점을 낮추는 준금속 성분(B, C, Si, P 또는 Al)으로 만들어진 전이 금속-준금속 합금이다.
희토류 자석은 예외적으로 강한 강자성을 띄며, 란타넘족 원소를 포함한다.
수많은 악티늄족 화합물은 상온이나 퀴리 온도 이하의 온도에서 강자성체가 된다. 예를 들어 PuP는 퀴리 온도(Tc = 125 K) 이하에서 격자 구조에 뒤틀림이 발생하여 육방정계로 왜곡된다.[24] NpFe2의 경우 자화용이축은 <111>이다.[26]
최근 연구는 전류 또는 전압에 의해 일부 물질에서 강자성을 유도할 수 있음을 보여준다. 반강자성 LaMnO3 및 SrCoO는 전류에 의해 강자성으로 전환되었다. 2020년 7월, 과학자들은 풍부한 반자성 물질인 황철석("fool's gold")에 인가된 전압으로 강자성을 유도했다고 보고했다.[15][16]
3. 1. 주요 강자성체 및 퀴리 온도
물질 | 퀴리 온도 (K) |
---|---|
Co | 1388 |
Fe | 1043 |
Fe2O3* | 948 |
FeOFe2O3* | 858 |
NiOFe2O3* | 858 |
CuOFe2O3* | 728 |
MgOFe2O3* | 713 |
MnBi | 630 |
Ni | 627 |
MnSb | 587 |
MnOFe2O3* | 573 |
Y3Fe5O12* | 560 |
CrO2 | 386 |
MnAs | 318 |
Gd | 292 |
Dy | 88 |
EuO | 69 |
오른쪽 표는 강자성 및 준강자성체 혼합물과 그 퀴리 온도를 정리한 것이다. 퀴리 온도는 자발적인 자화 현상이 일어나지 않는 임계 온도로, 이 온도보다 높은 온도에서는 자발적인 자화를 보이지 않는다.
4. 강자성에 대한 설명
보어-판레이우언 정리에 따르면 자성은 고전 물리학으로는 설명할 수 없다. 즉, 양자역학을 배제한다면 반자성, 상자성, 강자성을 설명하는 것은 불가능하다.[17] 강자성은 양자역학에서 등장하는 두 가지 효과인 스핀과 파울리 배타 원리의 직접적인 영향을 받아 발생한다.
자성체는 자기장을 걸면 자기를 띠는 물질인데, 반자성, 상자성, 강자성의 세 종류가 있다. 여기서는 강자성체가 왜 강자성을 띠는지에 중점을 두고 관련 현상을 설명한다.
원자 궤도상의 스핀을 가진 전자가 홀전자 또는 쌍전자인지에 따라 자기가 발생하는지 여부가 결정되는 양자론적 모델과는 다른 관점도 있다. 모든 원자가 독립적으로 스핀 자석을 가지고 있으며, 그 원자들 사이에 어떤 정해진 규칙이 존재한다고 가정함으로써, 반자성, 상자성, 강자성의 차이를 설명하는 모델이다. 반자성을 나타내는 물질은 내부 원자들 사이에서 가장 가까운 원자들끼리 스핀 자석이 반대 방향으로 작용하는 상호 작용이, 강자성을 나타내는 물질은 내부 원자들이 서로의 스핀 자석에 상호 작용한다는 이론이다. 이것이 교환 상호작용이다.
4. 1. 자기의 유래
전자의 스핀은 자기 모멘트를 생성하며, 이는 작은 자기장을 형성한다. 전자의 궤도 각운동량도 강자성에 기여하지만, 주된 원인은 전자의 스핀이다.[8] 쌍을 이루지 못한 전자(홀전자)를 가진 원자만이 알짜 자기 모멘트를 가지므로, 강자성은 홀전자를 가진 물질에서만 발생한다. 훈트의 법칙에 따라 홀전자는 가능한 한 같은 방향의 스핀을 가지려 하므로, 물질의 총 자기 모멘트는 증가한다.원자가 두 개씩 짝을 이룬 전자를 전자궤도에 가지고 있을 경우, 각 전자의 스핀이 서로 상쇄되기 때문에 외부에서 볼 때 자기적 성질을 나타내지 않는다. 3d 궤도나 '''4f 궤도'''에 홀전자가 있기 때문에 자성이 나타나는 경우가 많다. 그 대표적인 예가 철이다. 26Fe3+는 3d 궤도의 1개와 '''4s 궤도'''의 2개의 전자가 부족하여 3d 궤도의 5개의 전자가 모두 홀전자가 된다.
4. 2. 교환 상호작용
교환 상호작용은 이웃한 원자의 전자 스핀이 평행 또는 반평행인지에 따라 에너지가 달라지는 양자역학적 효과이다. 파울리 배타 원리에 따라, 같은 스핀을 가진 전자는 같은 위치에 있을 수 없으므로, 스핀이 평행할 때 전자들은 더 멀리 떨어져 에너지가 낮아진다. 이 에너지 차이를 교환 에너지라고 한다.[18]짧은 거리에서 교환 상호작용은 쌍극자 상호작용보다 훨씬 강하며, 강자성 물질에서 이웃한 스핀들이 같은 방향으로 정렬하게 한다. 예를 들어 철(Fe)에서 교환력은 쌍극자 상호작용보다 약 1,000배 강하다. 교환 상호작용은 반강자성 및 준강자성과 같은 다른 종류의 자발적 정렬의 원인이기도 하다.
물질의 화학적인 조성에 따라 자기 교환의 다른 메커니즘이 중요해지기도 한다. 이러한 메커니즘에는 직접 교환, RKKY 교환, 이중 교환, 초교환 같은 것들이 있다.[20]
4. 3. 자기 이방성
교환 상호작용은 스핀을 정렬시키지만, 특정 방향으로 정렬시키지는 않는다. 자기이방성이 없다면 자석 내의 스핀은 열적 요동에 반응하여 무작위로 방향이 바뀌고, 자석은 초상자성을 띠게 된다. 여러 종류의 자기이방성이 존재하며, 가장 일반적인 것은 자기결정이방성이다. 이것은 자화 방향이 결정격자에 대해 상대적인 에너지의 의존성을 나타낸다. 또 다른 일반적인 이방성 원인인 역자기변형은 내부 변형에 의해 유도된다. 단일영역 자석은 입자 형태의 정전기 효과로 인해 ''형태 이방성''을 가질 수도 있다. 자석의 온도가 증가함에 따라 이방성은 감소하는 경향이 있으며, 종종 블로킹 온도에서 초상자성으로의 전이가 발생한다.[21]4. 4. 자기 구역 (Magnetic Domain)
강자성체는 여러 개의 작은 자기구역으로 나뉘어 있다.[22] 각 구역 안에서 스핀은 정렬되지만, 다른 자기 구역들은 모두 다른 방향을 가리키고 있어 자기장이 상쇄된다. 따라서 강자성체는 거시적인 측면에서 자기장을 갖지 않는 경우가 많다.

자기 구역은 교환 상호작용과 정자기 에너지의 균형에 의해 자발적으로 형성된다. 교환 상호작용은 근거리력이기 때문에 원자-원자 사이 거리 내에서 수백 번의 회전이 일어날 수 있다. 낮은 정자기 에너지를 유지하기 위해 이러한 회전은 자기 구역 사이에 집중되는데, 이 영역을 자벽이라고 한다. 자벽에서 자화 방향은 점진적으로 변하며, 자벽의 종류에 따라 다른 형태를 보인다. 예를 들어, 블로호 벽의 경우 자화 방향이 자벽의 평면과 같고, 네엘 벽의 경우 벽에 수직한 방향으로 일어난다.
철과 같은 강자성체는 일반적으로 전체 자기 모멘트가 매우 적거나 없다. 하지만 외부 자기장이 가해지면 자기 구역이 재배치될 수 있다. 충분히 강한 외부 자기장이 가해지면, 자기 구역은 외부 자기장에 평행하게 재배치된다. 그리고 외부 자기장이 사라져도 재배치된 자기 구역들은 지속될 수 있다.

자기 구역이 외부 자기장이 없어져도 원래의 최소 에너지 배열 상태(정렬되지 않아 알짜 자화가 0인 상태)로 돌아가지 않는 이유는 자벽이 결정 격자의 결점에 고정되어 평행한 방향을 유지하기 때문이다. 이는 바르크하우젠 효과(Barkhausen effect|바크하우젠 효과영어)로 관찰되는데, 외부 자기장의 변화에 따라 자기 구역이 방향을 바꿀 때, 자벽이 이전의 결점에서 급격히 빠져나오면서 자화가 수천 개의 작은 불연속적인 점프를 하며 바뀌는 현상이다. 즉, 연속적으로 방향이 전환되는 것이 아니라 미세하면서도 "급격한" 변화가 여러 번 일어나서 방향이 전환되는 것이다.
자화는 외부 자기장에 대한 함수로서 자기이력곡선으로 나타낼 수 있다. 정렬된 자기 구역의 상태가 가장 낮은 에너지 배열 상태는 아니지만, 이 상태는 매우 안정하다. 이는 지자기에 의해 정렬된 수백만 년 된 해저 자철석이 발견되었다는 점을 통해 확인할 수 있다.
가장 강력한 영구 자석을 만드는 합금은 경질 합금으로, 결정 구조에 결점(불순물)이 많아 자벽이 고정되어 안정화될 수 있다. 알짜 자화는 외부 자기장이 없는 상태에서 열을 가하고 냉각시킴으로써 없어질 수도 있다. 열 운동은 구역 경계를 움직일 수 있도록 하여 결점으로부터 빠져나올 수 있게 하고 다시 낮은 에너지 상태의 정렬되지 않은 상태로 되돌아가게 한다.
5. 퀴리 온도 (Curie Temperature)
온도가 증가할수록 열 운동이나 엔트로피가 증가하는데, 이는 자기 쌍극자가 정렬하려는 강자성의 경향에 반하는 것이다. 퀴리 온도라고 하는 특정 온도를 넘어서면, 2차 상전이가 일어나면서 계는 더 이상 자발적인 자화를 유지할 수 없게 된다. 이 상태에서도 여전히 외부 자기장에 대한 상자성적인 반응을 나타낸다. 퀴리 온도 아래에서는 자발 대칭 깨짐이 발생하며 외부 자기장이 없는 상황에서 무작위적으로 자기 구역들이 발생한다. 퀴리 온도는 자기 감수율이 이론적으로 무한대가 되는 임계점으로, 알짜 자화는 0이지만 자기 구역과 비슷한 스핀의 상관 계수가 모든 길이 단위에 대하여 요동치는 온도이다.
간소화한 이징 스핀 모형을 통한 강자성 물질의 상전이에 대한 연구는 통계 물리학의 발전에 중요한 영향을 주었다. 이 연구는 평균장 이론 접근 방식으로는 임계점에서의 변화를 올바르게 예측할 수 없다는 것을 밝혀내었고, 재규격화 군 이론으로 대체되어야 함을 보여주었다.
강자성체는 어떤 온도 이상이 되면 스핀이 각각 무질서한 방향을 향하여 정렬되지 않고 상자성을 나타내게 된다. 이 전이 온도를 '''퀴리 온도'''(Curie Temperature, 퀴리점이라고도 함)라고 부른다.
퀴리 온도 이상에서는, 자화율(대자율)을 , 절대온도를 ''T'', 상자성 퀴리 온도를 로 했을 때,
:
가 된다. 이것을 퀴리-바이스 법칙(Curie-Weiss law)이라고 부른다. ''C''는 비례상수이며, 이것은 퀴리 상수라고 불린다.
2004년에 탄소 동소체의 하나인 탄소나노폼으로 이루어진 강자성체가 발표되었다. 상온에서는 수 시간 후에 그 현상이 사라졌지만, 저온에서는 더 오래 지속되었다. 그 물질은 반도체이기도 하며, 붕소와 질소의 등전자 화합물을 비롯한 비슷한 성질의 물질도 강자성체일 것이라고 생각된다. ZnZr₂라는 합금도 2.85만°C에서는 강자성체가 된다.
6. 강자성체의 종류
역사적으로 '강자성'이라는 용어는 외부 자기장이 없을 때 자발적인 자화를 나타내는 모든 물질을 통칭하는 데 사용되었다. 그러나 최근에는 물질의 기본 셀에 하나 이상의 자성 이온이 있을 때 다른 종류의 자발적 자화가 발생한다는 사실이 밝혀지면서, 강자성과 준강자성을 구별하는 더 엄격한 정의가 사용되기도 한다.
좁은 의미에서 강자성 물질은 모든 자성 이온이 알짜 자화에 양의 효과를 낼 때를 의미한다. 만약 자성 이온의 일부가 알짜 자화에 음의 효과를 준다면 (즉, 자화 방향에 부분적으로 반대로 정렬될 때) 그 물질은 준강자성이라고 부른다. 자기장에 대해 같은 방향으로 정렬된 이온과 반대 방향으로 정렬된 이온의 모멘트가 완전히 균형을 이루어 알짜 자화를 0으로 만든다면 그 물질은 반강자성체이다. 이러한 물질들은 특정 온도(강자성과 준강자성의 경우 퀴리 온도, 반강자성의 경우 네엘 온도) 이하에서만 자기장에 의해 자성 이온이 정렬되는 현상이 나타난다.[3]
1948년 루이 넬은 이러한 현상이 두 가지 수준의 자기 정렬로 인해 발생한다는 것을 보여주었다. 하나는 모든 자기 모멘트가 정렬되는 강자성이고, 다른 하나는 일부 자기 모멘트가 반대 방향으로 향하지만 기여도가 작아 자발 자화가 나타나는 페리자성이다.[4][5]
반대되는 모멘트가 완전히 균형을 이루는 특수한 경우, 정렬은 반강자성으로 알려져 있으며, 자발 자화를 갖지 않는다.
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내부 층마다 자성의 방향이 회전하듯이 어긋나면서 나선형으로 변화하는 자성체를 나선형 자성체라고 한다. 희토류 금속에서 그 예를 볼 수 있다. 스핀의 프러스트레이션을 최소화하려는 자기 조직화의 결과로 가장 안정된 배향을 갖게 된 것이 나선형 구조이다.
반강자성체의 일종으로, 자화 특성이 갑자기 진행되어 갑자기 포화되는 물질을 메타자성체라고 한다. CsFeCl3처럼 미세한 단계를 거치는 경우도 있다.
금이나 은, 구리와 같은 비자성 물질에 철과 같이 전자 스핀을 가진 물질(자성 불순물)을 섞으면 스핀 방향이 무작위로 분산된다. 이 상태로 합금이 고체화되면 비결정질이 되어, 마치 유리 내부에서 결정이 미세한 채로 고체화된 것처럼 미세한 전자 스핀을 가진 자성 불순물이 어떤 곳에서는 강자성을, 어떤 곳에서는 반강자성을 나타내는 자기 구조가 만들어진다. 이러한 구조를 스핀유리라고 부르며, 각 스핀은 주변 스핀에 대해 좌절을 겪는다.
7. 강자성체의 응용
강자성체는 고체 상태에서 주로 전동기, 발전기, 변압기 등에 사용되는 자석으로 활용된다. 분체(粉體) 상태의 자기 성분은 테이프에 도포되어 음성, 영상 신호의 자기 기록에 이용된다. 아세테이트 필름이나 하드 디스크 원판에 도포된 자기 성분은 컴퓨터의 플로피 디스크나 하드 디스크 장치용 데이터 저장에 활용된다. 최근에는 나노 기술의 발달로 강자성 나노 입자, 나노 와이어, 박막 등의 형태로 제작되어 스핀트로닉스, 자기 센서, 바이오 메디컬 분야 등에서 새로운 응용 가능성을 보여주고 있다.
참조
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